车用NOx氮氧传感器介绍详解

NOx氮氧传感器介绍1Kevin.H2016.1目录21.NOx气体传感器技术要求2.NOx气体传感器分类3.半导体气体传感器4.固体电解质气体传感器5.电化学型气体传感器6.新型气体传感器目录1.NOx气体传感器技术要求2.NOx气体传感器分类3.半导体气体传感器4.固体电解质气体传感器5.电化学型气体传感器6.新型气体传感器31、NOx传感器技术要求4通用NOx传感器（UniNOx-Sensor），德国大陆用途：准确、快速地测量气体中的NOx浓度。技术要求：灵敏度高，良好的选择性；快速的响应和恢复；重复性、稳定性好；可普及性。目录1.NOx气体传感器技术要求2.NOx气体传感器分类3.半导体气体传感器4.固体电解质气体传感器5.电化学型气体传感器6.新型气体传感器52.NOx气体传感器分类•根据气敏特性分类：6半导体型固态电解质电化学型新型传感器目录1.NOx气体传感器技术要求2.NOx气体传感器分类3.半导体气体传感器4.固体电解质气体传感器5.电化学型气体传感器6.新型气体传感器73.1半导体气体传感器分类8半导体气敏元件的分类如表所示。大体上可分为电阻型和非电阻型两大类。要对NOx进行检测，需要选择合适的敏感材料。3.2电阻型半导体NOx传感器结构9氧化物半导体NOx传感器，福特公司专利SnO2是应用最早的半导体传感器材料之一,福特公司最初用其制成传感器进行NOx的监测。3.3电阻型半导体NOx传感器检测机理10气敏半导体材料SnO2是N型半导体，其导电机理可用吸附效应来解释。图示为烧结体N型半导体的模型（左）。晶粒间界有较高的电阻，晶粒内部电阻较低。该模型可简化为仅由颈部等效电阻Rn串联而成的等效电路（右）3.4电阻型半导体NOx传感器特性参数11名称符号定义固有电阻Ra半导体气体传感器在洁净空气中的电阻值气体灵敏度S表示气体传感器的电参量与被测气体体积浓度之间的函数关系分辨率（选择系数）K表示气体传感器对被测气体的识别(选择)以及对干扰气体的抑制能力响应时间T1阻值达到气体体积浓度下稳态阻值的90%为止的所需时间恢复时间T2阻值恢复到洁净空气中阻值的90%为止所需的时间初期稳定时间T3使气体传感器恢复正常工作状态需要的时间加热功率PH气体传感器正常工作时所需的加热电路功率3.5半导体气体传感器优缺点12优点：敏感性好，掺杂三价元素（Al，Bi，Ga，In）时，对NOx显示出可靠的选择性。缺点：无法完全过滤其它气体，稳定性不好。氧化物半导体NOx传感器优缺点：改进方法：以氧化物为基体，掺杂某些特定金属制成半导体传感器。如TiO2，WO3，AlVO4等，提高选择性和稳定性。3.6非电阻式半导体气体传感器•非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场效应管式(MOSFET)半导体气体传感器。其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测氢和硅烧气等可燃性气体。（略）13目录1.NOx气体传感器技术要求2.NOx气体传感器分类3.半导体气体传感器4.固体电解质气体传感器5.电化学型气体传感器6.新型气体传感器144.1固体电解质的导电机理15废气传感单元加热参考空气ZrO2-陶瓷层电极多孔保护层绝缘层USSensorCharacteristicCurveNormalizedA/FratioSensorvoltage00.981.01.02Ureg00.30.60.9VPO’2PO’’24.2固体电解质的导电机理16电极处化学反应HnCm+xO2yH2O+zCO22CO+O22CO22H2+O22H2ONO+2CON2+2CO2废气固体电解质ZrO2(+Y2O3)T350°CUN参考空气4e-+O22O2-2O2-4e-+O2多孔电极Pt(+ZrO2)多孔电极Pt(+ZrO2)多孔保护层O2O2O2O2O2O2O2-O2O2O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2O2pO2''=0,21barpO2'=10-20barNernst原理公式:UN=F4RTln'O''O22PPUN:输出电动势T:气体绝对温度F:法拉第常数R:理想气体常数Po2’参考空气气压值Po2’’废气的气压值4.3氧化锆固体电解质传感器分类（1）17VYSZ铂电极Oo2-铂电极eIIO2pIO2pAYSZ铂电极Oo2-铂电极IIO2pIO2p(1)电位型(2)极限电流型敏感电极：NO2+2e=NO+O2-参考电极：2O2--4e=O24.3氧化锆固体电解质传感器分类（2）18(3)阻抗谱型：4.4阻抗谱型NOx传感器检测机理19在YSZ电解质与敏感电极界面上发生了如下的阴极反应：NO2+4e→N2+2O2-(1)或NO2+2e→NO+O2-(2)而在另一侧发生了如下的阳极反应：2O2--4e→O2(3)因此，低频下的总阻抗与NO2的浓度相关。同时对O2和CO2浓度变化具有抗干扰性。4.5固态电解质NOx传感器关键技术20电解质材料敏感电极材料制备工艺目录1.NOx气体传感器技术要求2.NOx气体传感器分类3.半导体气体传感器4.固体电解质气体传感器5.电化学型气体传感器6.新型气体传感器215.1电化学式气体传感器概述利用待测气体与有关的电极反应而制成的气体传感器称电化学式气体传感器。可分为原电池式、定电位电解式、电量式、离子电极式四种类型。针对测量NOx，在此介绍前两种。22A.定电位电解式气体传感器B.原电池式气体传感器5.2定电位电解式气体传感器23在电解过程中，电流由气体成分的扩散速度决定，极限电流与气体体积浓度成正比。借此可进行检测，称为定电位电解式传感器。NO2+2e=NO+O2-2O2--4e=O25.3原电池式气体传感器24----e4)OH(Pb2OH4Pb2OH4e4OHO222还可以用来测定大气中氧、一氧化碳（CO）的体积浓度：选择合适的电解液和敏感电极，对NOx气体做出有效选择。目录1.NOx气体传感器技术要求2.NOx气体传感器分类3.半导体气体传感器4.固体电解质气体传感器5.电化学型气体传感器6.新型气体传感器256.1新型传感器类别26光纤气体传感器表面声波气体传感器(SAW)智能气体传感器（电子鼻）附：UniNOx传感器工作原理(1)27注：UniNOx传感器是由德国大陆和日本NGK开发的世界第一款量产的车载NOx传感器。附：UniNOx传感器工作原理(2)28第五代NOx/O2传感器原理图，日本NGK公司可以认为：1个UniNOx传感器=2个氧传感器附：UniNOx传感器工作原理（3）29附：国外近年来研究项目30↑以氧化铝为基片（福特公司提供），嵌入的加热元件。国外某机构以YSZ（钇稳定氧化锆）为基片分别进行了两种材料作为敏感电极的测试研究，Au和LSM（锰酸锶镧）附：应用过程中的问题1、传感器选择性、敏感性、精度不足；2、传感器工作条件、响应和恢复时间、可靠性都有待提高3、合适的关键材料还在探索中，复杂的制备工艺有待改进4、成本偏高，无法普遍应用。31参考资料[1]赵海燕，汽车尾气用NOx传感器[J].传感器与微系统.2007,26(1):8-10;[2]王岭，纳米结构CuO为敏感电极的阻抗谱型NO2传感器[J].无机化学学报.2012,28(1):81-87;[3]LawrenceLivermoreNationalLaboratory,NOxSensorDevelopment[D].Internet.2012.5[4]顾媛媛，简家文，一种固体电解质的电流型NO2传感器.实用新型专利.宁波大学,2013.332